Otto-Kreisprozess

Der Otto-Kreisprozess wird von den Benzinmotoren gebraucht. Dabei wird ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft komprimiert und anschliessend mittels eines Funken (Zündkerzen) entzündet. Der Name geht auf den deutschen Erfinder Nicolaus August Otto (1832-1891) zurück, dem wir das Viertaktverfahren verdanken.

Viertaktmotor

Wir werden die Funktionsweise eines Ottomotors an einem einzelnen Zylinder besprechen. Im hohlen Zylinder ist ein Kolben eingebracht, der sich hoch- und runterbewegen kann. Diese lineare Bewegung wird über die Pleuelstange auf die Kurbelwelle übertragen. Die Kurbelwelle ist die sich drehende Welle, die die Drehbewegung des Motors abgibt.

Der Hohlraum im Zylinder bildet das Volumen für das Fluid unserer WKM. Über ein Einlassventil kann Fluid in diesen Hohlraum zugeführt und über das Auslassventil wieder abgeführt werden.

Ein Ottomotor kann theoretisch mit nur einem Zylinder funktionieren, jedoch wird er nicht rund laufen und er wird eine grosse Schwungmasse benötigen. Der Grund liegt darin, dass im Kreisprozess einer jeden Wärmekraftmaschine (WKM) ein Prozessschritt Arbeit benötigt (\(W_{in}\)). Die Schwungmasse kann mit ihrer kinetischen Energie diese Arbeit \(W_{in}\) wieder in die WKM zurückführen und so den Kreis des Kreisprozesses schliessen. Im Normalfall werden aber andere Zylinder verwendet, so dass immer ein Zylinder Arbeit \(W_{out}\) abgibt, wenn ein anderer Zylinder Arbeit \(W_{in}\) benötigt. Autos haben deshalb meistens 4 Zylinder. Mit höheren Zylinderzahlen lassen sich Motoren realisieren, die v.a. runder und ruhiger laufen.

1. Takt: Ansaugen

Der Kolben bewegt sich nach unten und vergrössert das Volumen. Das geöffnete Einlassventil erlaubt den Zufluss des Brennstoff-Luft-Gemischs. Bei Motoren mit Direkteinspritzung wird nur Luft eingesaugt. Bei Motoren mit Turboladern wurde die Luft vorgängig bereits verdichtet.

2. Takt: Komprimieren

Beide Ventile sind geschlossen und der Kolben bewegt sich zurück und verkleinert das Volumen. Für diesen Takt braucht die WKM Arbeit \(W_{in}\).

3. Takt: Arbeitstakt

Die Zündkerze erzeugt einen Funken, der das Brennstoff-Luft-Gemisch entzündet. Durch die chemische Verbrennungsreaktion entstehen Abgase und die freigewordene Reaktionswärme \(Q_{in}\) führt zu einem sehr hohen Druck (über 100 bar) im kleinen Volumen. Die heissen Gase drücken auf den Kolben und geben dadurch viel Arbeit ab (\(W_{out}\)).

4. Takt: Ausstossen

Das Auslassventil wird geöffnet, der Kolben verkleinert wieder das Volumen und stösst dadurch die heissen Abgase (knapp 1000 °C) aus dem Zylinder hinaus.

Zweitaktmotor

Der Zweitaktmotor ist meistens einfacher gebaut und billiger, aber etwas schwieriger zu verstehen. Eigentlich ist der Begriff Zwei-Takt verwirrend, denn auch hier werden alle vier Takte durchlaufen. Der Hauptunterschied liegt in der Anzahl Takte pro Umdrehung der Welle. Im Viertaktmotor bewegt sich der Kolben zwei mal hin und her für zwei Umdrehungen der Welle, bis alle vier Takte durchlaufen sind, d.h. eine Kolbenbewegung kann einem Takt zugeordnet werden. Im Zweitaktmotor werden alle vier Takte in einer Umdrehung durchlaufen, d.h. zwei Takte werden mit einer Kolbenbewegung gleichzeitig durchgeführt:

• Kolbenbewegung nach oben: Ansaugen (Takt 1) unter dem Kolben und Verdichten (Takt 2) über dem Kolben
• Kolbenbewegung nach unten: Arbeitstakt (Takt 3) und am Schluss Ausstossen (Takt 4) über dem Kolben. Unter dem Kolben wird das Fluids verdrängt, so dass es nach oben fliesst

Der Trick des Zweitaktmotors ist also die Benutzung beider Seiten des Kolbens: Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird unter dem Kolben eingelassen. Wenn der Kolben sich nach oben bewegt, verkleinert er den Hohlraum über ihm, vergrössert aber den Hohlraum unter ihm. Von diesem unteren Hohlraum wird das Brennstoff-Luft-Gemisch angesaugt. Sobald der Kolben sich nach unten bewegt, verdrängt er das Fluid unter dem Kolben nach oben. Über den sog. Überstromkanal kann das Fluid nach oben fliessen. Mit der erneuten Bewegung des Kolbens nach oben, wird das Fluid verdichtet und am Schluss durch die Kerze gezündet. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens wird die Öffnung des Abgaskanals frei, so dass die Abgase austreten können.

Der Zweitakt ist unglaublich einfach und elegant in der Ausführung. Leider sind die verschiedenen Takte nicht so schön von einander getrennt, so dass er einen schlechteren Wirkungsgrad. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Pleuelstange und die Kurbelwelle vom Brennstoff-Luft-Gemisch umflossen werden. Diesem Gemisch muss deshalb Schmieröl beigemischt werden, der dann mitverbrannt wird. Die Abgase eines Zweitakters haben aus diesem Grund einen typischen Geruch und eine leicht bläuliche Färbung. Beim Viertakter sind Pleuelstange und Kurbelwelle von der ganzen Verbrennung schön getrennt. Wenn ein Viertakter anfängt zu rauchen und überdurchschnittlich viel Motorenöl verbraucht, deutet das auf einen Defekt der Kolbendichtung hin.

Otto-Kreisprozess im p,V-Diagramm

Der ideale Otto-Kreisprozess ist im nachfolgenden p,V-Diagramm dargestellt:

1 ➝ 2 : Adiabatische Kompression: Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird so schnell komprimiert, dass der Vorgang praktisch ohne Wärmeaustausch stattfindet

2 ➝ 3 : Isochore Wärmeaufnahme: Durch die Verbrennung steigen Druck und Temperatur rapide an

3 ➝ 4 : Adiabatische Expansion: Die Verbrennungsgase expandieren schnell und geben dabei Arbeit über den Kolben ab

4 ➝ 1 : Isochore Wärmeabgabe: Die Verbrennungsgase werden ausgestossen und neues Brennstoff-Luft-Gemisch wird zugeführt